应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器、检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器、检测系统及方法，包括粘贴于压滤机的隔膜滤板上的呈矩阵式排布的若干个光纤光栅封装贴片，每个光纤光栅封装贴片结构相同，均包括基板以及在基板上布设的光纤光栅以及与所述光纤光栅连接的传导光纤，所述光纤光栅和基板整体封装，检测隔膜滤板的应变或/和温度变化，本发明专利技术所提供的以玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为基片的外贴式的光纤光栅传感器，能够精确地监测隔膜滤板边框处的微小应变，所提供的以上述传感器为基础的隔膜滤板的智能健康监测系统，能够基于隔膜滤板边框处的微小应变进行实时、可靠、整体的健康状态监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器、检测系统及方法。
技术介绍
隔膜压滤机是将高压流体介质注入隔膜滤板中，使整张隔膜鼓起压迫滤饼，实现滤饼脱水的过滤机械。隔膜压滤机具有压榨压力高、耐腐蚀性好、维修方便、安全可靠等优点，是冶金、造纸、制药、食品、酿造、污水处理等行业的首选。隔膜压滤机所采用的隔膜滤板由两个隔膜和一个芯板组成，外部高压流体介质进入芯板与隔膜之间的腔室内，使隔膜鼓胀从而对滤腔进行压缩，进而更好地分离滤料与滤液，提高滤饼的含固率。其中隔膜为主要动部件，其自身反复的膨胀收缩运动及外部高温高压滤料的挤压与冲刷容易使隔膜发生永久变形和磨损进而损坏。损坏的隔膜滤板若不及时更换则可能会进一步对整个压滤机造成更为严重的损伤。然而生产中通常无法实时掌握隔膜滤板的健康状态，只能在发生不可挽回的损失后依靠经验排查损坏的隔膜滤板。由此可见，隔膜滤板的实时健康监测十分重要。对其使役状态进行健康监测以确保生产安全，对存在问题的滤板进行预警，能够大幅降低滤板破坏造成的损失。同时，通过分析从现场采集、记录、保存的隔膜滤板使役过程数据也可判定设备用户在使用过程中是否存在违规行为，有效地避免压滤机制造厂商与用户之间的产品质量纠纷。常见的健康监测方法主要是射线、超声、红外、涡流、微波、激光全息照相技术、目视检测等一些无损探伤方法。这些传统无损检测方法的特点通常是离线、静态、被动的。到目前为止，受多方面技术的制约，我国尚未可靠实现对隔膜滤板的实时健康监测与剩余寿命评估。在隔膜滤板中内埋光纤光栅传感器的监测技术，可以在线监测隔膜滤板的工作状态，及时、全面地发现隔膜滤板发生的损伤。但是，其应用存在以下问题：(1)在隔膜滤板的芯板及隔膜中内埋光纤光栅传感器需要重新制作两者的模具、调整成型工艺，使技术升级的成本高昂、风险加大；(2)由于隔膜的变形量较大，内埋于隔膜中的光纤光栅有效变形量需要超过10％，需要定制特种光纤，升级成本进一步增加。(3)在隔膜滤板的芯板及隔膜复杂的成型过程中埋入的光纤光栅传感器易错位，产生形状畸变、应力集中甚至损坏，可控性差，废品率增加，技术风险大；(4)内埋的阵列式光纤光栅传感器的栅区数量大，显著增加了技术升级的关键器件成本；(5)成型后的隔膜与芯板装配成完整的隔膜滤板，装配好的隔膜滤板的边框需要进行刨削、钻孔等机械加工，内埋式的光纤光栅传感器接头给这些加工带来了诸多不便，使工序复杂化，增加滤板制造成本；(6)一旦内埋的光纤光栅传感器失活，则没有修补、更换这些失活传感器的可能性。在隔膜滤板上外贴光纤光栅传感器的健康监测技术，不仅可以在线监测隔膜滤板的工作状态，及时、全面地发现隔膜滤板发生的损伤，而且可以避免上述的内埋式光纤光栅传感器的技术缺陷。由此可见，外贴式的光纤光栅传感器在隔膜滤板健康状态的无损检测中比内埋式的光纤光栅传感器具有优越性。但是，现有的表面粘贴式光纤光栅传感器是将光纤光栅首先粘贴在胶基基片或者刻有凹槽的金属基板上，做成传感器并保护好接头后使用。而胶基基片封装的传感器由于胶基的强度和刚度较低、易发生松弛或蠕变、不耐高温，所以无法满足压滤机的长期高温环境及恶劣工况。金属基板封装贴片的制备工艺复杂、自身的质量密度高，且金属基板自身模量远大于隔膜滤板所用的短玻璃纤维增强聚丙烯基复合材料的模量，导致其传递应变的准确度大幅度降低，进而致使光纤光栅的测试精度无法满足要求。此外，隔膜滤板在工作过程中，其凹凸不平的工作表面不断受到高压高温水流等的冲刷与挤压，无法布排传感器，因此外贴式的传感器贴片只能粘贴于隔膜滤板边框的外表面，这对传感器的检测精度和灵敏度提出了更高的要求。由于粘贴于隔膜滤板边框外表面的传感器只能直接监测边框部分的应变与温度情况，无法直接获取隔膜滤板整体的应变场与温度场，更无法直接获知隔膜滤板的损伤情况，因此现有的测试分析系统尚不能基于滤板边框的应变、温度情况对隔膜滤板的整体健康状态进行实时监测。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器、检测系统及方法，所提供的以玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为基片的外贴式的光纤光栅传感器，能够精确地监测隔膜滤板边框处的微小应变，所提供的以上述传感器为基础的隔膜滤板的智能健康监测系统，能够基于隔膜滤板边框处的微小应变进行实时、可靠、整体的健康状态监测。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器，包括粘贴于压滤机的隔膜滤板上的呈矩阵式排布的若干个光纤光栅封装贴片，每个光纤光栅封装贴片结构相同，均包括基板以及在基板上布设的光纤光栅以及与所述光纤光栅连接的传导光纤，所述光纤光栅和基板整体封装，检测隔膜滤板的应变或/和温度变化。所述基板为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，以真空辅助灌注液态环氧树脂并浸渍玻璃纤维布而后固化的工艺封装光纤光栅与基板，形成光纤光栅封装贴片。所述封装的光纤光栅可以为单应变监测光栅，也可包括温度监测光栅，当包括温度监测光栅时，所述温度监测光栅可用于温度监测也可用于应变监测时的温度补偿。所述光纤光栅贴片以环氧树脂、不饱和聚酯等热固性树脂与隔膜滤板进行粘贴。所述光纤光栅贴片分别粘贴在边框外表面对应隔膜与芯板的位置，分别监测两片隔膜及中间芯板的应变状态。一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感装置，包括光源、上述外贴式光纤光栅传感器、光纤耦合器和光纤光栅解调仪，所述光源产生连续调频激光，激光信号通过引线进入外贴式光纤光栅传感器的光纤光栅，形成稳定的反射信号，外贴式光纤光栅传感器通过光纤依次连接光纤耦合器和光纤光栅解调仪。所述光纤耦合器有两个，激光信号分成两路，分别通过一个光纤耦合器传输到光纤光栅解调仪的两端，形成两个端口。所述光源为单独光源或光纤光栅解调仪的内置光源，产生连续调频激光，激光信号通过光纤进入光纤光栅传感器，形成稳定的反射信号。一种隔膜滤板智能健康监测系统，包括应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感装置、智能分析模块、预警模块、显示模块和隔膜滤板损伤数据库，其中，外贴式光纤光栅传感装置的光纤光栅传感器布排于隔膜滤板边框的外侧，对隔膜滤板的应变和/或温度进行实时监测和信号解调，智能分析模块根据采集的参数信息分析隔膜滤板的损伤程度，预警模块读取隔膜滤板的损伤程度，超过警戒阈值时进行报警，显示模块对隔膜滤板的损伤情况进行实时动态显示。所述智能分析模块，包括应变场和温度场分析器、疲劳累积运算器、滤板损伤识别运算器和剩余强度运算器，其中：所述应变场和温度场分析器，被配置为根据传感装置输入的实时温度和/或应变数据进行运算得出隔膜滤板的实时温度场和/或应变场，将结果输出至显示模块，并保存至数据库，形成隔膜滤板历史工况数据；所述疲劳累积运算器，被配置为结合隔膜滤板材料蠕变及松弛等特有属性，基于雨流计数法进行疲劳计算，其读取数据库中隔膜滤板的历史工况数据，计算滤板的疲劳损伤；所述隔膜滤板损伤识别运算器，被配置为根据隔膜滤板的监测数据，借助人工神经网络的模式识别功能对滤板的应力应变状态与隔膜滤板损伤数据库进行匹配，实现损伤识别；所述剩余强度运算器，被配置为根据隔膜滤板损伤程度进行剩余强度计算并预测隔膜滤板的剩余寿命，将结果输出至显示模块及预警模块。所述隔膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器，其特征是：包括粘贴于压滤机的隔膜滤板上的呈矩阵式排布的若干个光纤光栅封装贴片，每个光纤光栅封装贴片结构相同，均包括基板以及在基板上布设的光纤光栅以及与所述光纤光栅连接的传导光纤，所述光纤光栅和基板整体封装，检测隔膜滤板的应变或/和温度变化。

【技术特征摘要】
1.一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器，其特征是：包括粘贴于压滤机的隔膜滤板上的呈矩阵式排布的若干个光纤光栅封装贴片，每个光纤光栅封装贴片结构相同，均包括基板以及在基板上布设的光纤光栅以及与所述光纤光栅连接的传导光纤，所述光纤光栅和基板整体封装，检测隔膜滤板的应变或/和温度变化。2.如权利要求1所述的一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器，其特征是：所述基板为玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，以真空辅助灌注液态树脂工艺封装光纤光栅与基板形成光纤光栅封装贴片。3.如权利要求1所述的一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器，其特征是：所述封装的光纤光栅为单应变监测光栅，或也包括温度监测光栅，当包括温度监测光栅时，所述温度监测光栅用于温度监测或应变监测时的温度补偿。4.如权利要求1所述的一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感器，其特征是：所述光纤光栅贴片分别粘贴在边框外表面对应隔膜与芯板的位置，分别监测两片隔膜及中间芯板的应变状态。5.一种应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感装置，包括光源、如权利要求1-4中任一项所述的外贴式光纤光栅传感器、光纤耦合器和光纤光栅解调仪，所述光源产生连续调频激光，激光信号通过引线进入外贴式光纤光栅传感器的光纤光栅，形成稳定的反射信号，外贴式光纤光栅传感器通过光纤依次连接光纤耦合器和光纤光栅解调仪。6.一种隔膜滤板智能健康监测系统，其特征是：包括如权利要求5所述的应用于隔膜滤板的外贴式光纤光栅传感装置、智能分析模块、预警模块、显示模块和隔膜滤板损伤数据库，其中，外贴式光纤光栅传感装置的光纤光栅传感器布排于隔膜滤板边框的外侧，对隔膜滤板的应变和/或温度进行实时监测和信号解调，智能分析模块根据采集的参数信息分析隔膜滤板的损伤程度，预警模块读取隔膜滤板的损伤程度，超过警戒阈值时进行报警，显示模块对隔膜滤板的损伤情况进行实时动态显示。7.如权利要求6所述的一种隔膜滤板智能健康监测系统，其特征是：所述智能分析模块，包括应变场和温度场分析器、疲劳累积运算器...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大伟，贾玉玺，万国顺，张梦洁，董琪，姜明顺，隋青美，王海庆，高琳琳，王庆林，
申请(专利权)人：山东大学，景津环保股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37